可见光与无线局域网融合网络中基于自适应驻留的垂直切换技术

发布时间：2021-03-09 09:32

过去二十年人们对无线容量的不断需求正在将无线电频谱利用到极限。因此,可见光通信(VLC)通过利用巨大且免授权的光谱可以提供巨大的带宽,近来已引起很多关注。VLC因其可以在现有照明系统上实施而更具吸引力。另一方面,与诸如IEEE 802.11无线局域网(WLAN)的基于RF的网络相比,VLC网络每个接入点(AP)具有小得多的覆盖区域。为了解决VLC网络中的覆盖和连接问题,WLAN作为混合VLC和WLAN网络中的互补网络的应用被认为是一种有前景的解决方案。除了改善VLC-WLAN异构网络(HetNets)的覆盖范围外,WLAN还可用于上行链路通信,从而实现双工通信。WLAN的普及使它们随时可用,更适合支持VLC网络。因为可见光信道的直线传输(LOS)特性,用户移动性或物体的阻碍,可见光信道的链路可能被破坏。当可见光链路中断时,需要设计与WLAN的快速垂直切换(VHO)以确保呼叫或会话的连续性。然而,当链路中断频繁时,等待链路恢复将是一种更有效的方法,以避免过多的VHO信令成本和系统性能下降。当系统执行VHO时,需要考虑在用户设备(UD)中运行的各种应用程序的需求。因此,当VLC链路受阻,不可用或遇到强干扰时,必须妥善处理混合VLC和WLAN网络中的VHO过程,以做出及时有效的切换决策。本论文对VLC-WLAN HetNets中的VHO进行了研究,其最终目标是设计基于自适应驻留的切换机制,以融合VLC网络和WLAN网络。首先,该论文分析了VLC链路中断的原因,并设计了新型的VHO算法,以减轻VLC链路中断的不利影响。此外,该论文为了解决停留时间的潜在负面影响,提出了一种基于VLC可访问性历史的信道自适应驻留VHO(CAD-VHO)方案。该方案采用的驻留定时器的宽度基于VLC-LoS信道的阻塞和恢复速率而改变。通过在室内环境中建立动态网络环境来进行仿真。仿真结果表明,所提出的CAD-VHO方案适应于由于用户移动性和周围物体而导致的VLC-LOS链路阻塞的速率和程度。此外,与其他算法相比,所提出的CAD-VHO方案可以将VHO的数量减少多达82%,并在大多数情况下实现更高的平均数据速率。其次,该论文提出了一种用于融合VLC和WLAN室内网络的混合应用感知VHO(HAVHO)方案。该自适应方案基于VLC链路中断的原因和转换以及UD中运行的应用类型来做出切换决定。根据场景,切换决策受UD速度或VLC链路恢复速率的影响。HA-VHO方案结合了三种切换方法以增强算法的切换性能。仿真结果表明,该方案保证了高数据速率和较长的连接时间,同时在几种情况下大大降低了VHO的信令成本。本项目中提出的切换方案的应用对于将VLC网络和WLAN组合到第五代(5G)及更高版本至关重要。本论文设计的方案旨在使终端在VLC网络中保持更长时间,从而缓解现有RF网络的数据传输压力。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1;TP393.1

文章目录

摘要

Abstract

Nomenclature

Units

Symbols

Abbreviations

Chapter 1 Introduction

1.1 Motivation

1.2 Problem Statement

1.3 Aims and Objectives

1.4 Contributions

1.5 Research Methodology

1.6 Scope of Study

1.7 Research Significance

1.8 Thesis Outline

1.9 Summary

Chapter 2 Literature Review

2.1 Visible Light Communication

2.1.1 The VLC Concept

2.1.2 Advantages of VLC

2.1.3 Weaknesses of VLC

2.1.4 Applications of VLC

2.1.5 VLC Standardization

2.2 Integration of VLC and WLAN Networks

2.2.1 Description of Architecture

2.2.2 Benefits of Coexistence

2.2.3 Challenges of Integration

2.2.4 Vertical Handover Process

2.3 Previous Works on Vertical Handover

2.3.1 Traditional Hybrid Wireless Networks

2.3.2 Hybrid VLC and RF networks

2.3.3 Limitations of Previous Works

2.4 Summary

Chapter 3 Channel Adaptive Dwell Vertical Handover Scheme

3.1 Overview

3.2 System Model

3.3 Handover Mechanism

3.3.1 Blocking and Non-blocking Events

3.3.2 Channel Adaptive Dwell Timer

3.3.3 Dwell Time Algorithm

3.4 Simulation

3.5 Results and Discussion

3.5.1 Comparison between Different Maximum Dwell Durations

3.5.2 Comparison with Benchmark Schemes

3.6 Summary

Chapter 4 Hybrid Application-Aware VHO Scheme

4.1 Overview

4.2 System Model

4.2.1 VLC Network

4.2.2 User Mobility

4.2.3 Wireless LAN

4.2.4 VLC/WLAN Coexistence

4.2.5 Application-Awareness

4.3 Handover Mechanism

4.3.1 On the Movement across Overlapped Region

4.3.2 On the Obstruction of VLC Link

4.3.3 The Handover Decision Framework

4.4 Simulation and Results Analysis

4.4.1 Average VHO Signaling Cost Comparison

4.4.2 Average Data Rate Comparison

4.4.3 Average Connection Time Comparison

4.5 Summary

Chapter 5 Conclusion and Recommendations

5.1 Conclusion

5.2 Recommendations

References

Acknowledgements

Publications and Research Achievements

Appendix A

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